推進劑僅消耗0.3%！嫦娥五號軌道器再出發，燃料富餘動力充沛

春蠶到死絲方盡，蠟炬成灰淚始幹。嫦娥五號在歷經23天艱難跋涉之後成功返回地球，然而它的任務卻沒有終結。

嫦娥五號11個重大任務階段一路走來猶如一場斷舍離的接力賽，着上組合體與軌返組合體兩兩分離、支撐艙與軌返組合體分離、上升器起飛與着陸器分離、上升器與軌返組合體對接、上升器及對接樣品轉移機構與軌返組合體分離……

去年12月17日當返回器與軌道器在距離地球約5000公里處分離後，軌道器隨即機動規避，避免與返回器一道再入大氣層。軌返分離那一刻開始，返回器進入再入返回航程，軌道器也隨即進入拓展任務階段。

獨自在太空遊蕩的軌道器這一次要飛得更遠，其第一拓展目標是飛向距離地球約150萬公里的日地拉格朗日L1點，具體任務有如下四條：

1.驗證地球出發至日地L1點轉移軌道的設計與控制技術；

2.驗證L1點環繞軌道設計與控制技術，並展開長期探測；

3.檢測L1點附近光照、輻照等環境，驗證探測器分系統適應能力；

4.擇機開展日凌期間測控通信試驗。

拉格朗日點可視作兩個天體的萬有引力平衡點，基於引力賦予的向心力人類可在拉格朗日點部署環繞該點運行的探測器，在此運行的探測器只需消耗極少燃料即可維持軌道，是天文觀測、測控通信、空間探測等類型航天器的優選軌道。

談到拉格朗日點對於中國航天來説其實並不陌生，尤其是嫦娥探月工程曾多次展開拉格朗日點探測活動或任務。

拉格朗日點總共有5個點，分別是L1點、L2點、L3點、L4點、L5點，L1點位於兩個天體連線之間，L2點位於兩個天體連線延長線小天體一側，L3點位於兩個天體連線延長線大天體一側，L4點則在兩個天體連線為底的等邊三角形第三個頂點上，且在小天體運行軌道前方，L5點也在兩個天體連線為底的等邊三角形第三個頂點上，但在小天體運行軌道後方。

嫦娥探月工程曾先後數次對拉格朗日點展開探測，首先是2010年10月1日發射升空的探月二期工程先導星嫦娥二號，該探測器在完成高分辨率全月圖成像及既定工程目標後於2011年6月9日飛離月球，這是人類第一個由月球軌道出發前往日地拉格朗日L2點的探測器。

日地L2點位於太陽與地球連線延長線地球一側，距離地球約150萬公里，嫦娥二號實現了從月球軌道飛赴L2點的軌道設計、飛行控制和遠距離測控通信。開展了對地球遠磁尾離子能譜、太陽耀斑爆發、宇宙伽馬爆等科學探測。

2014年4月24日，探月三期工程先導星嫦娥5T1再入返回試驗飛行器發射升空，該探測器是嫦娥五號任務的驗證飛行器。

主要驗證月地轉移軌道高速半彈道跳躍式再入返回技術，當探測器自月球軌道歸來釋放返回器後，軌道器如同今時今日的嫦娥五號軌道器一樣隨即實施軌道機動，最終進入到一條遠地點54萬公里、近地點600公里的大橢圓轉移軌道，後續又借力月球奔赴地月拉格朗日L2點，並建立環繞運行軌道。

就在此時此刻我們還有一顆部署於地月拉格朗日L2點環繞軌道的探測器，它就是服務嫦娥四號探測器月背中繼通信的鵲橋衞星，目前該探測器已在該點環繞軌道穩定運行兩年以上。

綜上所述，中國航天先後對日地拉格朗日L2點、地月拉格朗日L2點實施過三次探測，而今嫦娥五號軌道器對日地拉格朗日L1點的探測又將是一個首次。

話説嫦娥五號在完成11個重大階段性任務，以一己之力拿回5倍於蘇聯三次採樣返回任務總和的月壤後，為什麼還有餘力做拓展任務？

足夠的燃料、完善的姿軌控動力系統、電力供應、深空測控通信是航天器實施深空探測任務的四大必備條件。

嫦娥五號發射質量8.25噸，從上至下分為上升器、着陸器、返回器、軌道器四大艙段，着陸器與上升器組合體發射質量3.7噸，由此可知軌道器與返回器組合體發射質量為4.55噸，返回器重量則是300公斤，那麼剩餘的4.25噸即為軌道器重量。

4.25噸是軌道器的發射質量，並不代表現今奔向日地拉格朗日L1點的軌道器質量。軌道器作為嫦娥五號探測器的太空擺渡車需要在多個軌控階段點火消耗大量燃料，4.25噸發射質量就包含了3噸推進劑。

軌道器在地月轉移飛行期間實施了兩次軌道中途修正，1台3000N發動機與2台150N發動機分別點火2秒與6秒，接近月球軌道後又先後實施兩次近月制動，第一次近月制動3000N發動機工作了17分鐘，此一階段消耗燃料最多。

環月運行階段軌道器又先後實施了4次調相機動與一次組合體調相機動，返回地球時軌道器又進行兩次月地轉移入射，其中第二次轉移入射4台150N發動機持續點火22分鐘，推進劑消耗量僅次於第一次近月制動，後續在月地轉移飛行期間又實施了3次軌道中途修正。

在完成一系列軌控任務後，軌道器剩餘燃料還有200多公斤。

那麼，這200多公斤剩餘燃料是多還是少？

當然是遠超預期的“多”，軌道器初始空重約為1.25噸，在環月飛行階段又先後分離包絡返回器的支撐艙與對接樣品轉移機構，空重進一步降低，現今軌道器空重僅為1噸左右，加上軌道器此時已經處於大橢圓軌道之中，探測器初始速度足夠，200多公斤燃料可以説是綽綽有餘。

節餘燃料為什麼這麼多？主要由兩點原因共同促成。

首先得益於長征五號遙五運載火箭高精度的入射軌道，使得嫦娥五號軌控需求大大降低，第一次軌道中途修正只點火工作了2秒時間，目的是為了標定3000N軌控發動機空間推力，如果不是這個需求此次軌道中途修正可以直接取消。此外，原定的第三次軌道中途修正更是被直接取消。

最終嫦娥五號軌道器設計用於軌道修正的推進劑僅消耗了0.3%，導致這個結果的直接原因是我們也不知道嫦娥五號任務可以如此成功……

嚴肅認真、周到細緻、穩妥可靠、萬無一失16字指示是中國航天追求成功的態度，為了任務成功我們需要料敵從寬，把一切可能的故障問題都考慮進去，因此推進劑冗餘能力就需要重點照顧。

比如，2018年12月8日發射升空的嫦娥四號，該探測器剛進入軌道不久就遭遇燃料泄漏險情，而4天后探測器就要進入關鍵的近月制動環節。

嫦娥四號軌道設計組通宵達旦地討論設計新的推進劑優化節餘軌道，最終嫦娥四號選擇取消7500N變推力發動機空間推力標定環節，後續的環月運行策略也調整為兩次降軌設計，這才保障了嫦娥四號有充裕的燃料餘量，實際上早在任務實施前軌道設計組就提前準備了節餘燃料的聯合優化控制技術。

當嫦娥四號安全落月後，貯箱裏的推進劑餘量竟然還有3公斤，要知道嫦娥四號下降軌跡比嫦娥三號陡峭得多，這意味着推進劑消耗量更大，在這樣一個背景下還能有這麼多燃料節餘是非常難得的，也體現出嫦娥團隊面對艱難險重任務時的鎮定與睿智。

如今嫦娥四號着陸器與巡視器在月球背面已於本月3日迎來了部署月面兩週年紀念日，玉兔二號已經成為人類部署月面行駛時間最長的月球車，而今項目團隊為兩器延壽任務又制定了進一步的詳細方案。

嫦娥五號作為探月三期工程收官之作，全國矚目、世界矚目，影響力空前，為了萬無一失各分系統團隊設計了數以百計的應急預案，到頭來11個重大階段任務完美無瑕，應急預案沒一個有機會施展，這是間接促成大量燃料節餘的重要原因之一。

除了充足的燃料，動力系統也是軌道器開展拓展任務奔向深空必不可少的條件。

嫦娥五號探測器四大艙段共配置有77台發動機，軌道器作為地月轉移、環月飛行、月地轉移飛行的太空擺渡車，配置發動機數量最多、種類最多，軌道器共有27台發動機，返回器、着陸器、上升器則分別是12台、17台、21台。

軌道器27台發動機中既有大推力的3000N主軌控發動機，也有較小推力的150N軌控發動機，同時還有多種推力的姿控發動機，這些推力各異的發動機使得軌道器擁有足夠的機動能力在太空空間“閃轉騰挪”。

嫦娥五號軌道器還配置有我國光電轉換效率最高的太陽能電池，電力供應能力同樣綽綽有餘。

深空任務還需要深空測控網支持。軌道器相當於嫦娥五號探測器的神經中樞，不僅有用於在軌指揮控制的計算機系統，也有用於天地測控數據傳輸的通信天線。

要想讓探測器的每一個動作準確實施，就必須建立天地通信鏈路。已經勝利收官的月球採樣返回任務與即將抵達火星的天問一號探測器給出了答案，服務兩大任務的深空測控網已經建成並投入使用。

我們在喀什、佳木斯、阿根廷薩帕拉分別設立了深空測控站，其中佳木斯66米口徑天線最遠測控距離可以觸達冥王星為代表的太陽系邊際空間。

就在天問一號奔火期間國家天文台所屬天津武清站又新建了70米口徑亞洲最大全可動射電天線，用於接收來自遙遠深空的微弱信號。

由此筆者不由得回想起嫦娥二號探測器，該星在完成月球任務後又順利實施了日地拉格朗日L2點、圖塔蒂斯小行星飛掠探測、深空測控通信測試等拓展任務，可以説是戰果輝煌。然而項目團隊最初計劃的拓展任務是讓嫦娥二號去火星軌道，但由於當時深空測控網的建設還沒跟上，所以不得不退而求其次。

如今嫦娥五號軌道器對比它的前輩有更強的深空測控能力支持，可以去的地方當然遠不止日地拉格朗日L1點。後續根據軌道器狀態和約束條件等情況，還將繼續向其他深空目標邁進，比如太陽系八個行星之一的金星，而這又將是一次拓荒之旅！